Der Geruchssinn ist ein oft unterschätzter, aber dennoch unglaublich wichtiger Sinn, der unser Leben auf vielfältige Weise beeinflusst. Er schützt uns vor Gefahren, bereichert unseren Geschmackssinn, weckt Erinnerungen und spielt sogar eine Rolle bei der Partnerwahl. Die Forschung auf diesem Gebiet hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und gibt uns faszinierende Einblicke in die komplexen Mechanismen, die dem Riechen zugrunde liegen.
Wie der Geruch im Gehirn entsteht
Das olfaktorische System, das für die Geruchswahrnehmung zuständig ist, besteht aus zwei Hauptwegen: dem eigentlichen olfaktorischen System, das über die Nase verläuft, und dem nasal-trigeminalen System, das über Mund und Nase zu einem Gesichtsnerv (Nervus trigeminus) führt. Letzterer ist für Empfindungen wie brennend, stechend, beißend, kühlend und scharf (über die Nase) sowie prickelnd (über den Mund) verantwortlich. Unter Riechen verstehen wir die Wahrnehmung flüchtiger, in der Luft verteilter Geruchsstoffe. Nichtflüchtige Substanzen werden hingegen in der Mundhöhle wahrgenommen. Viele flüchtige Substanzen lösen jedoch sowohl im olfaktorischen als auch im nasal-trigeminalen System eine Riechempfindung aus, wie z. B. Senf, Zwiebeln oder Menthol.
Die Rolle der Duftmoleküle
Die flüchtigen Geruchsstoffe, auch Duftstoffmoleküle genannt, erreichen unsere Nase hauptsächlich beim Einatmen oder Riechen. Eine zweite Möglichkeit besteht indirekt über den retro-nasalen Wahrnehmungsweg der Mund-Nasen-Rachen-Verbindung. Hierbei werden die Geruchsstoffe beim Kauen freigesetzt und gelangen dann beim Schlucken und Ausatmen in den Nasen-Rachen-Raum. Interessanterweise kann auch die Körperhaut riechen, was kürzlich für Sandelholz-Öl bestätigt wurde. Es ist auch möglich, dass die Zunge bis zu einem gewissen Grad riechen kann, da sie neben Geschmacks- auch Geruchsrezeptoren besitzt.
Die meisten Geruchsstoffe haben ein Molekulargewicht von weniger als 350 g/mol (molare Masse). Damit Riechen überhaupt stattfinden kann, müssen die Moleküle wasser- und lipidlöslich bzw. lipophil (fettfreundlich) sein, damit sie in die lipidhaltige Membran der Riechzellen eindringen bzw. durch die wässrige Schleimschicht zu den Rezeptoren in der Nase gelangen können. Für die Bindung an die Lipidmembran müssen die Moleküle zudem fettlöslich sein. Obwohl bis heute nicht vollständig geklärt ist, was ein Molekül zu einem „Duftstoff-Molekül“ macht, muss es flüchtig oder beim Kauen freigesetzt werden sowie wasser-, lipid- und fettlöslich sein.
Informationsvermittlung durch die Nase
Die Nase ermöglicht es dem Menschen, mehr als 10.000 verschiedene Gerüche zu unterscheiden. Dies beginnt damit, dass die Nase eine Riechschleimhaut besitzt, die in beiden Nasenhöhlen jeweils ca. fünf Quadratzentimeter groß ist. Hier befinden sich rund zehn Millionen Riechsinneszellen, die sich alle ein bis zwei Monate erneuern und die an dünnen Riechhärchen Geruchsrezeptoren tragen. Sie sind wie ein Anlegesteg für die Duftmoleküle. Nach passendem Kontakt des Moleküls eines Geruchsstoffs mit dem Geruchsrezeptor - das menschliche Riechorgan hat etwa um die 350 bis 400 unterschiedliche funktionstüchtige Rezeptoren bzw. Geruchsrezeptorentypen - wird der von außen kommende chemosensorische Reiz in ein internes elektrisches Signal überführt und zunächst in das Riechhirn weitergegeben. Diese Informationsvermittlung geschieht durch Nervenfasern (Axone) der Sinneszellen, die gebündelt durch das Siebbein (siebartig durchbrochener Knochen des Hirnschädels) in die Schädelhöhle zum Riechkolben (Bulbus olfactorius bzw. „olfactory bulb“) führen. Dort entsteht aus den einzelnen elektrischen Impulsen ein typisches Erregungsmuster bzw. ein interner elektrischer „Signal-Kombinationscode“.
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Das Stichwort für die Erstleistung, der Umwandlung von chemosensorischen Reizen in interne elektrische Signale, aus denen dann ein Dufterkennungscode entsteht, lautet „chemoelektrische Transduktion“. Bei diesem Wunderwerk der Natur an den Riechzellen geht es, wie bei allen Zellen des Körpers, vor allem um eine primäre Funktion: Sie müssen kommunizieren, sonst können Duftstoffmoleküle nicht vom Riechkollben als Duftmuster und somit als ein spezifischer Duft (z. B. Rose) erkannt und gebildet werden und dann von höheren Gehirnregionen, insbesondere dem orbitofrontalen Kortex (OFC), weiter beurteilt werden. Der Riechkolben arbeitet somit wie ein Rechen- und Relaiszentrum, in dem eine Umschaltung der eingehenden Informationen stattfindet. Er sammelt die einzelnen elektrischen Impulse, die sogar aus 1000 verschiedenen Molekülen entstammen können, und setzt sie zusammen. Wenn nur ein Teil des Erregungsmusters ausgewertet wird, entsteht im Gehirn schon ein erster Dufteindruck. Einige Duftmoleküle geben ein charakteristisches Signal ab bzw. wirken als Leitmolekül so stark, dass das Gehirn schon einen Hinweis auf das ganze Duftbild erhält, bevor es als komplettes Erregungsmuster entsteht. Das kann sehr schnell gehen, und eine erste Dufterkennung kann bereits im Bereich von unter 500 Millisekunden erfolgen. Eine Duftunterscheidung dauert dann nicht länger als ein bis zwei Sekunden. Bei Rosen ist das Leitmolekül bzw. die Leitsubstanz für Rosenduft beispielsweise Geraniol. Wer Geraniol riecht, assoziiert diesen Duft in der Regel sofort mit Rosen, obwohl der Duft einer Rose über 500 Einzelstoffe enthalten kann.
Der "Duftmanager" im Gehirn: Der piriforme Kortex
Der piriforme Kortex ist das eigentliche Duft-Verteilersystem im Riechhirn. Er fungiert als eine Art „Duftmanager“ und sendet die jeweiligen Duftreize zu spezifischen Gehirnarealen weiter. Der piriforme Kortex, der eng mit dem zentralen Kern unseres Emotionszentrums zusammenarbeitet, verfügt über erstaunliche Fähigkeiten. Er kann nicht nur die Wirkung von Parfüm und Duft auf Bewusstsein, Stimmung und Emotion verstärken, sondern auch dem ihm vorgelagerten, eng mit der Nase verbundenen Riechkolben vorschreiben, was und wie etwas zu riechen ist. Das kann so weit gehen, dass eine bestimmte Substanz gar nicht gerochen, an ihr nicht weitergerochen oder nur teilweise beschnüffelt wird - je nachdem, was der piriforme Kortex und sein System als wichtig empfinden. Auch entscheidet der piriforme Kortex, was, wie und wo etwas zur Geruchsweiterverarbeitung in andere Gehirnregionen gegeben wird. Dabei hat er eine sehr emotionale, oft schreckhaft riechende Verbündete: die Amygdala. Sie riecht in der Regel immer mit und tauscht sich mit dem piriformen Kortex über den Geruchseindruck aus. Das Ergebnis kann in einer Rückschleife auch dem Riechkolben gemeldet werden. Die Wirkung von Parfüm und Geruch auf Bewusstsein, Stimmung und Emotion wird so von einem interessanten Duftmanager geleitet.
Mit dem piriformen Kortex haben wir eine Art kleinen Mann im Gehirn, der nicht nur sanft zuflüstert, wie mit einem Geruchsreiz umgegangen werden soll. Er kann als Duftmanager entscheiden, dass ein Geruch direkt in einer Region im Gehirn, beispielsweise in den orbitofrontalen Kortex (OFC), weitergeleitet wird. Letzterer steuert im Netzwerk Persönlichkeitsmerkmale wie Extraversion und Gewissenhaftigkeit und wird laut Erkenntnissen der Neuroparfümerie durch bestimmte Parfüms und Gerüche (z. B. frische Zitrusnoten) besonders gern stimuliert. Der piriforme Kortex hat also als Duftmanager auch Einfluss auf unsere Persönlichkeit, die er mit olfaktorischen Impulsen motiviert.
Zweimal riechen: Bewusst und unbewusst
Offenbar riechen wir im Gehirn das allermeiste zweimal. Zunächst erst unbewusst mit dem Emotionszentrum und dort im Besonderen mit der Amygdala. Sie trifft die Vorentscheidung, ob ihr ein Duft gefühlsmäßig zusagt oder nicht. Danach wird in höheren Gehirnregionen, wie dem orbitofrontalen Kortex (OFC), bewusst gerochen. Hier geht es unter anderem in einer eher kognitiven Entscheidung darum, ob z. B. ein Parfüm seinen Preis wert ist.
In der Forschung wird diskutiert, ob an der Amygdala vorbeigerochen werden kann. Zumindest ist es physiologisch möglich. Zwischen dem PC und dem OFC bestehen direkte neuronale Verbindungen und sogar umgekehrt, die vor allem beim „Duftneulernen“ aktiviert werden. Theoretisch wäre es daher möglich, dass wir auch ohne den emotionalen Input der Amygdala riechen können. Sicherlich ist es auch möglich, dass nur die Amygdala und ihr Netzwerk riechen, ohne dass der Dufteindruck dem OFC weitergeben wird. Das scheint besonders der Fall, wenn die Amygdala einen Duftreiz als nicht relevant empfindet. Die Amygdala und ihr Netzwerk sind eine Art emotionales Frühwarnsystem, das aber auch auf positive Empfindungen anspricht und sie sucht.
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Häufig liegen Amygdala und OFC bei der Duftentscheidung deshalb miteinander im Streit. Die Amygdala fühlt sich z. B. mit dem Parfüm wohl, der OFC jedoch signalisiert, dass man sich das Parfüm eigentlich nicht leisten kann. Raten Sie mal, wer gewinnt, wenn ein Parfüm die Amygdala wirklich fasziniert und der Kauf finanziell noch ganz knapp möglich ist. Richtig, die Amygdala! Die Vernunft kommt gegen das Gefühl wieder einmal - wie so oft im Leben - nicht an.
Die Bedeutung des Geruchssinns im Alltag
Der Geruchssinn prägt unser ganzes Leben. Die Nase nimmt feinste Spuren auf und schützt uns vor Gefahren, zum Beispiel vor verdorbenem Essen, Gas oder Feuer. Dabei ist die Nase von Frauen übrigens nicht feiner als die von Männern. Jeder Mensch ist mit den gleichen 400 Riechrezeptortypen und mehr als zehn Millionen Riechzellen ausgestattet. Wie gut jemand Gerüche wahrnehmen kann, hängt vor allem davon ab, wie intensiv man diese Fähigkeit trainiert.
Riechen lässt sich trainieren
Bewusstes Riechen ist Gehirntraining. Nicht umsonst schulen Parfümeure und Parfümeurinnen ihr Riechsystem ein bis zwei Stunden pro Tag. Professor Hatt fordert sogar Riechstunden an Schulen, um dadurch das Gehirn zu besseren Leistungen der Schülerinnen und Schüler anzuspornen. Wenn wir bewusst riechen, also auch die Emotionen zulassen, die ein Duft auslöst, werden mehr Gehirnzentren aktiviert als beim Sudoku oder bei anderen Formen des Gehirnjoggings.
Der Verlust des Geruchssinns
Der Geruchssinn kann verloren gehen, zum Beispiel durch eine COVID-19-Infektion oder durch Long-COVID. Auch mit zunehmendem Alter nimmt das Riechvermögen ab (Presbyosmie). Den eigenen Körpergeruch nicht mehr riechen zu können oder das Essen, das auf dem Herd anbrennt, ist ein starker Einschnitt im Leben.
Riechforschung und Krebsbehandlung
Geruchsrezeptoren sind in mehreren gesunden und krebsartigen Geweben identifiziert worden. Ihre Aktivierung hat einen Einfluss auf das Wachstum und Fortschreiten von Krebszellen. Forscher um Professor Hanns Hatt und Dr. Lea Weber von der Ruhr-Universität Bochum entdeckten, dass sich das Wachstum von Darmkrebszellen mit dem Duftstoff Troenan bremsen lässt. Sie fanden den Rezeptor OR51B4 in großen Mengen in Darmkrebszellen und identifizierten das Molekül Troenan als Aktivator für OR51B4. Die Behandlung bestimmter Krebszellen und Tumorgewebeproben von Patienten mit Troenan führte dazu, dass die Zellen nicht mehr so schnell wuchsen und sich langsamer bewegten, was die Bildung von Metastasen behinderte. Durch die Troenan-Behandlung starben zudem vermehrt Krebszellen ab. Allerdings sind weitere Studien dazu notwendig.
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Riechspiele für die ganze Familie
Es gibt viele Sinnes- und Riechspiele für die ganze Familie, die Spaß machen und den Geruchssinn des Kindes spielerisch fördern können.
- Schnüffeln statt kniffeln: Suchen Sie gemeinsam zehn Testobjekte aus, die duften oder stinken (Gewürze, Kräuter, Tee, Seife, Gemüse, Käsesorten etc.). Verbinden Sie jedem Familienmitglied die Augen und lassen Sie sie die Duftobjekte identifizieren.
- Ich schmecke was, was du nicht riechst: Schälen Sie einen Apfel, eine Birne, einen Kohlrabi und eine rohe Kartoffel. Schneiden Sie alles in gleich große Stücke. Nun erraten alle mit verbundenen Augen - erst mit zugehaltener Nase, dann ohne -, was sie essen.
Gut zu wissen: Wer nicht riecht, schmeckt kaum etwas. Die Zunge erkennt nur süß, sauer, bitter, salzig und fleischig-würzig (umami).
Genetische und epigenetische Einflüsse auf die Wahrnehmung
Für alle Sinne gilt, dass sowohl die genetische Determinierung als auch Umwelteinflüsse und Lernen unsere Wahrnehmungen bestimmen. Zum Teil sind die Regionen des Gehirns, in denen Sinneseindrücke verarbeitet werden, sehr unterschiedlich aufgebaut. Dennoch können prinzipielle Erkenntnisse darüber, wie Wahrnehmung in einer spezifischen Hirnregion prozessiert wird, häufig auf andere Hirnregionen übertragen werden. Die Forschung beschäftigt sich mit der Frage, welche genetischen und epigenetischen Faktoren Wahrnehmungsprozesse und Lernen im Gehirn bestimmen.
Multidisziplinärer Ansatz zur Erforschung der Wahrnehmung
Die Vorgehensweise ist multidisziplinär: Zunächst wird die Funktion einer Nervenzelle untersucht und deren Eigenschaften mit der Genexpression der betreffenden Zelle korreliert. Diese genetischen Informationen werden durch anatomische Studien ergänzt. Anschließend wird untersucht, wie eine bestimmte Zelle mit ihren Nachbarzellen kommuniziert und welche Eigenschaften die Synapsen haben. Alle diese Informationen fließen dann in ein Computermodell ein. Schließlich werden auf der Grundlage der experimentellen Daten und der Computermodelle Hypothesen formuliert, deren Gültigkeit in biologischen Systemen geprüft wird.
Molekulare und zelluläre Grundlagen der Netzwerkaktivität
Eine der wichtigsten Fragen ist, wie sich die genetische Manipulation auf das "Verhalten" der Nervenzellen auswirkt. In erster Linie interessiert die Verbindung von Molekül und Verhalten: Welche molekularen und zellulären Grundlagen synchronisieren die Netzwerkaktivität? Elektrophysiologische Messungen an einzelnen Sinnesnervenzellen ließen manche Wissenschaftler schlussfolgern, dass Objekte der Umwelt im Gehirn durch die Aktivität einzelner Nervenzellen ("single neuron coding") repräsentiert werden. Andere schlugen das Modell der "Populationskodierung" ("ensemble coding") vor, bei dem die neuronale Aktivität eines Nervenzellverbands (eines "ensemble") ein Objekt repräsentiert; die Aktivität einer einzelnen Nervenzelle ist nur Träger einer Teilinformation. Das Modell der Populationskodierung wirft die Frage auf, wie die Zugehörigkeit eines Neurons zu einem bestimmten Nervenzellverband markiert wird. Wie entsteht eine einheitliche Wahrnehmung? Wie werden verschiedene Merkmale eines Objekts zu einem kohärenten Ganzen zusammengebunden? Das Modell des "temporal coding" geht davon aus, dass einheitliche, kohärente Repräsentationen immer dann entstehen, wenn viele Nervenzellen, die durch unterschiedliche Merkmale eines Objekts erregt wurden, gleichzeitig "feuern", also gleichzeitig aktiv sind.
Genetische Programme und die Bestimmung der Wahrnehmung am Beispiel des Riechens
Am Beispiel des Riechens kann sehr gut verdeutlicht werden, wie genetische Programme die Wahrnehmung bestimmen. Zum einen ist die Diversität der Duftrezeptoren in der Nase genetisch festgelegt, was zu einem großen Teil die Speziesunterschiede bei der Duftwahrnehmung erklärt. Die Duftrezeptoren sitzen auf der Oberfläche der Riechsinneszellen, die sich in der Nasenschleimhaut befinden. Je nach Spezies gibt es mehrere Hundert bis mehrere Tausend unterschiedliche Duftrezeptoren, die Produkte ebenso vieler Gene sind. Bei Wirbeltieren bilden die Duftrezeptoren die größte Familie der Kanalproteine; beim Menschen machen die Gene für Duftrezeptoren drei Prozent des menschlichen Erbguts aus. Eine Besonderheit der Duftrezeptoren ist, dass eine Riechsinneszelle nur eine Art von Duftrezeptoren erzeugt und somit nur von bestimmten Düften aktiviert werden kann.
Auf dieser ersten Stufe der Riechwahrnehmung heißt Populationskodierung, dass ein Duft nicht eine, sondern viele Hundert Sinneszellen aktiviert. Wie viele Sinneszellen angeregt werden, hängt von der Komplexität des Duftes ab. Nur die einfachsten Düfte aktivieren lediglich Riechsinneszellen einer Art, also Riechsinneszellen, auf deren Oberflächen sich die gleiche Art von Riechrezeptoren befinden. Die meisten Düfte sind jedoch komplex und aktivieren diverse Riechrezeptoren. Der Vorteil der Populationskodierung gegenüber der Kodierung einzelner Nervenzellen ist am Beispiel des Riechens leicht zu erkennen: Die Anzahl der Duftrepräsentationen ist nicht auf die Anzahl der Gene für Riechrezeptoren beschränkt, sondern wird durch zahlreiche kombinatorische Möglichkeiten um ein Vielfaches gesteigert.
Ebenfalls genetisch bestimmt ist, wie die Nervenzellen der Nasenschleimhaut mit den nachgeschalteten Zellen im "Bulbus olfactorius", dem Riechkolben, verschaltet sind. Die Fortsätze (Axone) der Riechsinneszellen leiten die Erregung, die durch einen Duft ausgelöst wurde, weiter und übertragen sie auf die Fortsätze (Dendriten) nachgeschalteter Mitralzellen. Die Reizübertragung erfolgt in Strukturen, die anatomisch gut zu erkennen sind. Es handelt sich dabei um die so genannten Glomeruli. In ihnen enden alle Fortsätze von Riechsinneszellen, die die gleichen Riechrezeptoren tragen. In Experimenten mit Mäusen konnte gezeigt werden, dass die Fortsätze von Riechsinneszellen, deren Rezeptortyp mit gentechnischen Methoden verändert wurde, in einem anderen Glomerulus enden. Das bedeutet: Es ist genetisch determiniert, welche nachgeschalteten Nervenzellen bei der Präsentation eines Duftes angeregt werden. Verfahren, die es erlauben, die Aktivität vieler Nervenzellen gleichzeitig zu messen, zeigten, dass sich Düfte eindeutig neuronalen Aktivitätsmustern zuordnen lassen. Beim Riechen kommt diesem räumlichen Kodieren ("spatial coding") eine große Bedeutung zu. Es ist nicht übertrieben zu behaupten, dass die Konstruktions- und Funktionsbedingungen des Riechhirns bestimmen, welche Wirklichkeit im Gehirn repräsentiert wird.
Temporales Kodieren und synchrone Aktivität von Nervenzellen
Eine ebenso große Rolle spielt bei der Riechwahrnehmung das "temporal coding": Die synchrone Aktivität von Nervenzellen im Millisekundenbereich ist eine Möglichkeit, wie die Zugehörigkeit von Zellen zu einem Nervenzellverband markiert werden kann. Welche Zellen gleichzeitig aktiv sind, kann man mit elektrophysiologischen Methoden messen.
Wie bereits erläutert, sorgen genetische Programme dafür, dass Sinneszellen, die durch den gleichen Duft angeregt werden, die Duftinformationen über ihre Axone weitergeben, die in spezialisierten Strukturen, den Glomeruli, enden. Dieses Prinzip der Verschaltung, der Bündelung der Axone im Glomerulus und der Konvergenz auf nachgeschaltete Zellen, sorgt dafür, dass die Reizschwelle, die nötig ist, um eine nachgeschaltete Zelle zu aktivieren, leichter erreicht werden kann. Aus genetisch bestimmten Besonderheiten des Bulbus olfactorius kann man schließen, dass Mitralzellen, die sich nebeneinander befinden, mit großer Wahrscheinlichkeit synchron feuern, also gleichzeitig aktiv sind. Elektrophysiologische Messungen bestätigen dies - die Mitralzellen feuern aber nur dann synchron, wenn sich ihr Dendritenbaum im selben Glomerulus befindet.
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